chương 1 tổng quan về mạng máy tính và vấn đề về giao tiếp nối tiếp

Đường truyền vật lý: Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các máy tính.. Tất cả các tín hiệu được truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ EM nào

Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG MÁY TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VỀ GIAO TIẾP NỐI

TIẾP

A Tổng quan về mạng máy tính

Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính được nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó Và ngày nay mạng máy tính đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển và ứng dụng cốt lõi của công nghệ thông tin

I Các yếu tố của mạng máy tính :

Các yếu tố của một mạng máy tính bao gồm : đường truyền vật lý và kiến trúc của một mạng máy tính

1 Đường truyền vật lý:

Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các máy tính Các tín hiệu điện tử đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (ON-OFF) Tất cả các tín hiệu được truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ (EM) nào đó, trải từ các tần số radio tới các sóng cực ngắn vi baa) và tia hồng ngoại Tùy theo tần số của sóng điện từ có thể dùng các đường truyền vật lý khác nhau để truyền các tín hiệu

Các tần số radio có thể truyền bằng cáp điện (dây đôi xoắn hoặc đồng trục ) hoặc bằng phương tiện quãng bá (radio broadcasting)

Sóng cực ngắn vi baa) thường được dùng để truyền giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh

Tia hồng ngoại là lý tưởng đối với nhiều loại truyền thông mạng Nó có thể được truyền giữa hai điểm hoặc quãng bá từ một điểm đến nhiều máy thu Tia hồng

ngoại và các tần số cao hơn của ánh sáng có thể được truyền qua các loại cáp sợi quang

Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý ta cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản của chúng là dải thông, độ suy hao và độ nhiễu điện từ

2 Kiến trúc mạng:

Kiến trúc mạng máy tính (network architecture) thể hiện qua cách nối các máy tính với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, qui ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt Cách nối các máy tính được gọi là hình trạng (topology gọi tắt là topo), còn tập hợp các quy tắc, quy ước truyền thông thì được gọi là giao thức (protocol) của mạng

*Topo mạng:

Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là: điểm – điểm ( point to point) và quãng bá broadcaster hay point to multi point)

Theo kiểu point to point, các đường truyền nối thành từng cặp nút với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích

Theo kiểu quãng bá, tất cả các nút phân chia chung một đường truyền vật lý Dữ liệu được gởi đi từ một nút nào đó có thể được tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại Nơi nhận sẽ kiểm tra xem địa chỉ đích gởi đến có phải cho mình hay không để có thể tiếp tục thực hiện việc giao tiếp hay bỏ qua

*Giao thức mạng:

Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng cần phải tuân theo những quy tắc, qui ước về nhiều mặt: từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) của dữ liệu tới các thủ tục gởi, nhận dữ liệu, kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin cũng như xử lý các lỗi sự cố Tập hợp tất cả những quy tắc, qui ước đó được gọi là giao thức của mạng

II Phân loại mạng máy tính :

Có nhiều cách phân loại mạng máy tính khác nhau tùy thuộc vào yếu tố chính làm chỉ tiêu phân loại Nếu lấy khoảng cách địa lý làm yếu tố chính để phân loại thì

ta có các loại sau:

1 Mạng cục bộ ( Local Area Networks – LAN):

Là mạng được cài đặt trong một phạm vi tương đối nhỏ (ví dụ trong một tòa nhà, trường học …) với khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nút mạng chỉ trong vòng vài chục kilo mét trở lại

Một mạng cục bộ bao gồm cả phần cứng lẫn phần mềm Phần mềm của nó bao gồm các trình điều khiển thiết bị và hệ điều hành mạng

2 Mạng đô thị( Metropolitan Area Networks – WAN):

Là mạng được cài đặt trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế- xã hội có bán kính khoảng 100 kilo mét trở lại

3 Mạng diện rộng ( Wide Area Networks – WAN ): Có phạm vi có thể

vượt qua biên giới một quốc gia và thậm chí cả một châu lục

4 Mạng toàn cầu ( Global Area Networks – GAN ):Phạm vi sử dụng của

mạng trải rộng khắp các châu lục của Trái Đất

III Đường truyền và các thiết bị sử dụng trong mạng máy tính:

1 Đường truyền:

a Cáp truyền:

Cáp đồng trục:

Có cấu tạo gồm hai dây dẫn, một dây dẫn trung tâm ( thường bằng đồng cứng ) và một dây dẫn tạo thành một ống bao quanh dây dẫn trung tâm, dây dẫn này có thể là dây bện hay bằng lá kim loại Giữa hai dây dẫn có một lớp cách ly và bên ngoài cùng là một lớp vỏ plastic để bảo vệ cáp

 CaÙp xoắn đôi:

Cáp này gồm hai đường dây dẫn đồng trục được xoắn vào nhau Mục đích của việc xoắn này là nhằm giảm nhiễu điện từ gây ra bởi môi trường xung quanh và gây

ra bởi bản thân chúng với nhau

Có hai loại cáp xoắn đôi được dùng hiện nay là cáp có bọc kim STP (Shield Twisted-Pair) và cáp không bọc kim UTP ( Unshield Twisted-Pair) STP có khả năng chống nhiễu tốt nhờ có vỏ bọc kim, thích hợp cho tốc độ truyền dưới 500Mb/s Còn UTP có khả năng chống nhiễu thấp hơn, tốc độ có thể đạt tới là 100Mb/s

 Cáp sợi quang:

Cáp sợi quang không truyền dẫn các tín hiệu điện mà chỉ truyền dẫn các tín hiệu quang

Cáp sợi quang bao gồm một dây dẫn trung tâm ( là một hoặc một bó sợi thủy tinh hay plastic có thể truyền dẫn tín hiệu quang ) được bọc một lớp áo có tác dụng phản xạ các tín hiệu trở lại để giảm sự mất mát tín hiệu Bên ngoài cùng là lớp vỏ plastic để bảo vệ cáp

Tín hiệu truyền trên cáp sợi quang có thể đạt tốc độ 2Gb/s và cho phép khoảng cách truyền khá xa do độ suy hao tín hiệu trên cáp rất thấp Ngoài ra do tín hiệu truyền là dạng quang nên nó không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và các hiệu ứng điện khác Hơn nữa, tín hiệu truyền trên cáp sợi quang có độ bảo mật rất cao Tuy nhiên cáp sợi quang có nhược điểm là khó lắp đặt và giá thành còn tương đối cao

b Phương tiện vô tuyến:

 Radio:

Radio chiếm dải tần từ 10KHz đến 1GHz, trong đó có các băng tần quen thuộc như:

 Sóng ngắn

 VHF ( Very High Frequency ) : Dùng cho truyền hình và FM radio

 UHF ( Ultra High Frequency ) : Dùng cho truyền hình

Các phương thức truyền theo tần số radio là : Công suất thấp tần số đơn, công suất cao tần số đơn và trải phổ

 Viba (Microwave ):

Có hai dạng truyền thông vi ba là mặt đất và vệ tinh Các hệ thống vi ba mặt đất thường hoạt động ở băng tần 4-6GHz và 223GHz, tốc độ truyền dữ liệu từ 1-10Mb/s

 Các hệ thống tia hồng ngoại (Iinfrared System ):

Các mạng điểm – điểm hoạt động bằng cách chuyển các tín hiệu hồng ngoại từ một thiết bị tới một thiết bị kế tiếp, dải tần hoạt động là 100GHz đến 1000GHz với tốc độ khoảng 100Kb/s đến 16b/s

Các mạng quãng bá hồng ngoại cũng có dải tần như trên nhưng có tốc độ truyền thực tế chỉ đạt dưới 1Mb/s

2 Thiết bị mạng:

a Các bộ giao tiếp mạng:

Các bộ giao tiếp mạng có thể được thiết kế ngay trong Mainboard của máy tính hoặc ở dạng các tấm giao tiếp mạng ( Network Interface Card- NIC ) hoặc là các bộ thích nghi đường truyền

Một NIC có thể được cài đặt vào một khe cắm (slot ) của máy tính Đây là loại thiết bị thông dụng nhất để nối máy tính với mạng Trong NIC có bộ thu phát với một số kiểu đầu nối Bộ thu phát chuyển đổi các tín hiệu bên trong máy tính thành các tín hiệu mà mạng đòi hỏi và cũng biến đổi ngược lại các tín hiệu truyền trên mạng thành các tín hiệu mà máy tính có thể làm việc được

Bộ thích nghi đường truyền là thiết bị có chức năng làm thích nghi một kiểu đầu nối nào đó trên máy tính với một kiểu đầu nối khác mà mạng đòi hỏi Có các bộ thích nghi đường truyền như là: transceiver, media filter, parallel port adapter, SCSI port adapter

 Hub ( bộ tập trung ):

Hub là bộ chia hay còn gọi là bộ tập trung ( concentrators) dùng để đấu mạng Có các loại Hub như sau: Passive Hub, Active Hub, và Intelligent Hub

 Repeater ( bộ chuyển tiếp ):

Repeater có chức năng tiếp nhận và chuyển tiếp các tín hiệu dữ liệu thường được dùng nối hai đoạn cáp mạng Ethernet ( để mở rộng mạng)

Một số repeater chỉ có chức năng đơn giản là khuếch đại tín hiệu Tuy nhiên lúc đó mọi tiếng ồn trên mạng cũng bị khuếch đại theo Ngoài ra nếu tín hiệu gốc đã

bị nhiễu thì repeater này cũng khuếch đại luôn nhiễu

Các loại repeater tiên tiến hơn có thể mở rộng phạm vi của đường truyền mạng bằng hai cách: khuếch đại và tái sinh tín hiệu Chúng định danh dữ liệu trong tín hiệu nhận và dùng dữ liệu đó để tái sinh tín hiệu gốc

 Bridge ( Cầu ):

Bridge là một thiết bị mềm dẻo hơn rất nhiều so với repeater Một repeater chuyển đi tất cả các tín hiệu mà nó nhận được Còn Bridge thì có chọn lọc và chỉ chuyển đi các tín hiệu có đích ở phần mạng phía bên kia

 Multiplexor (bộ dồn kênh ):

Multiplexor là thiết bị có chức năng tổ hợp một số tín hiệu để chúng có thể được truyền với nhau và sau đó khi nhận lại được tách ra trở thành tín hiệu gốc

 Modem:

Modem ( Modulation/ demodulation ) là thiết bị có chức năng chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu analog và ngược lại để kết nối các máy tính qua đường điện thoại

Modem cho phép trao đổi thư điện tử, truyền tệp và trao đổi dữ liệu theo yêu cầu Tuy nhiên modem không phải là thiết bị liên mạng nên nó không thể nối kết các mạng ở xa với nhau Để khắc phục điều này ta có thể kết hợp với router để nối kết các mạng qua mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

 Router :

Router ( bộ chọn đường ) là thiết bị có chức năng tương tự như bridge, tuy nhiên nó đa năng hơn bridge vì có thể thực hiện các giải thuật chọn đường đi tối ưu theo một chỉ tiêu nào đó

B Giao tiếp nối tiếp:

Những thiết bị thực hiện việc giao tiếp bao gồm hai loại là : DCE ( Data Communications Equipment ) và DTE ( Data Terminal Equipment )

DTE ( còn gọi là thiết bị đầu cuối dữ liệu ) là một thuật ngữ chung để chỉ các máy của người sử dụng cuối, chúng có thể là máy tính hoặc một trạm cuối (terminal ) Như vậy tất cả các ứng dụng của người sử dụng điều nằm ở DTE Mục đích của mạng máy tính chính là để nối các DTE lại cho phép chúng phân chia tài nguyên, trao đổi dữ liệu và lưu trữ thông tin dùng chung

DCE ( còn gọi là thiết bị cuối kênh dữ liệu ) là thuật ngữ chung dùng để chỉ các thiết bị nối các DTE với các đường ( mạng) truyền thông Nó có thể là một Modem, Transducer, Multiplex…DCE có thể được cài đặt ngay bên trong DTE hoặc đứng riêng như một thiết bị độc lập Chức năng chính của DCE là chuyển đổi tín hiệu biểu diễn dữ liệu của người sử dụng thành dạng tín hiệu chấp nhận được bởi đường truyền và ngược lại

Việc truyền dữ liệu, chủ yếu được thực hiện thông qua mạng điện thoại, phải tuân theo những nguyên tắc nhất định, và thường là dùng các chuẩn truyền được quốc tế hóa Có nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, trong đó có các chuẩn thuộc họ RS- ( ngày nay đã đổi thành họ EIA- ) của EIA ( Electronics Industries Association ) được sử dụng rất phổ biến là: RS-232C, RS-422A, RS-423, RS-485 Chúng ta sẽ lần lượt khảo sát từng chuẩn trên

I Đặc điểm của các chuẩn truyền thông RS-232C, RS-422A, RS-485:

Chiều dài

cáp

Length

(max)

15m (50 ft)

1.2km (4000ft )

1.2km (4000ft)

1.2km (4000ft)

Baud rate

(Tốc độ

Baud)

20Kbs/

15m

10M bs/12m 1Mbs/

120m 100Kbs/

1.2km

100Kbs/

9m 10Kbs/

90m 1Kbs/

1.2km

10Mbs/

12m 1Mbs/

120m 100Kbs/

1.2km

d

Balanced Differenti al

Balanced Differenti al

Balanced Differentia l

Logic 0

+3V->+25V

+2V->+5V

+3.6V->+6V

+1.5V->+5V Logic 1 -3V

->-25V

-2V-> -5V -3.6V

->-6V

-1.5V ->-5V

Communit

y

Cable/

signal

Phương

thức

Half-duplex Full-duplex

Half-duplex Full-duplex

Half-duplex Full-duplex

Half-duplex Full-duplex Short

circuit

current

1 Chuẩn RS-232C :

Là chuẩn của EIA nhằm định nghĩa giao diện vật lý giữa DTE và DCE (ví dụ như giữa một máy tính và một modem ) Chuẩn này sử dụng đầu nối 25 chân, tuy nhiên chỉ có một số ít chân là thực sự cần thiết cho việc liên kết Về phương diện điện , chuẩn này quy định các mức logic 0 và 1 tương ứng với các điện thế nhỏ hơn -3V và lớn hơn +3V Tốc độ đường truyền không được vượt quá 20Kbs và khoảng cách nhỏ hơn 15m

Chuẩn RS-232C có thể chấp nhận phương thức truyền song công ( full-duplex )

Một trong những yêu cầu quan trọng của RS-232C là thời gian chuyển từ mức logic này sang mức logic khác không vượt quá 4% thời gian tồn tại của một

bit Giả sử với tốc độ truyền 19200 baud thì thời gian chuyển mức logic phải nhỏ hơn 0.04/19200 = 2.1s Điều này làm giới hạn chiều dài đường truyền Với tốc độ 19200baud ta có thể truyền xa nhất là 50ft (15.24m )

Một trong những vấn đề quan trọng cần chú ý là khi sử dụng RS-232C là mạch thu phát không cân bằng ( đơn cực ), tức là tín hiệu vào và ra được so với đất

2 Chuẩn RS-422A:

Một cải tiến quan trọng của chuẩn RS-232C là chuẩn RS-422A Chuẩn này sử dụng việc truyền dữ liệu sai lệch differential data ) trên những đường truyền cân bằng Một dữ liệu sai lệch cần hai dây, một cho dữ liệu không đảo (non-inverted) và một đường cho dữ liệu đảo (inverted) Dữ liệu được truyền trên đường dây cân bằng, thường là cặp dây xoắn với một trở ở đầu cuối Một IC lái (driver) sẽ biến đổi các mức logic thông thường thành một cặp tín hiệu sai lệch để truyền Bên nhận sẽ có một mạch chuyển đổi tín hiệu sai lệch thành các mức logic tương ứng Các IC lái RS-422A hầu hết hoạt động với nguồn +5V như các chip logic khác Với chuẩn mới này, tốc độ cũng như khoảng cách truyền được cải thiện rất nhiều

3 Chuẩn RS-485 :

Giao tiếp EIA RS-485 là một cải tiến của chuẩn RS-422A Đặc tính điện của nó giống như chuẩn RS-422A RS-485 là chuẩn truyền vi sai, sử dụng hai dây cân bằng Với RS-485 tốc độ truyền có thể đạt đến 10Mbs và chiều dài cáp có thể lên đến 1.2km Điện áp vi sai ngõ ra từ +1.5V-> +5V nếu là logic mức 0 và mức logic 1 sẽ là từ -1.5V-> -5V Một đặc điểm quan trọng của RS-485 là có thể cung cấp đến 32 drivers và receivers trên cùng một đường truyền Điều này cho phép tạo thành một mạng cục bộ Để có khả năng như vậy, ngõ ra driver RS-485 phải là ngõ ra 3 trạng thái Và do đó một slave sẽ ở trạng thái tổng trở cao khi nó không được chọn để giao tiếp cùng với master

Chỉ có một trạm được chọn làm master, các trạm còn lại đều là slave Master được quyền truyền bất cứ lúc nào, nó sẽ chỉ định một slave bất kì giao tiếp với nó Slave chỉ có thể truyền sau khi nhận được lệnh của master Mọi slave có một địa chỉ riêng trên đường truyền và sẽ không được phép truyền nếu không có yêu cầu từ master

II Các phương thức truyền thông:

Có 3 phương pháp truyền được dùng trong mục đích truyền thông tin: Đơn công, bán song công, và song công Ta sẽ lần lượt khảo sát các phương pháp truyền trên

1 Đơn công:

Đường truyền đơn công có khả năng truyền dữ liệu chỉ theo một hướng Nguyên nhân không phải do tính chất của đường dây đơn giản chỉ vì một đầu cuối chỉ có một máy phát và đầu cuối kia cũng chỉ có một máy thu Cấu hình này ít được sử dụng trong các máy tính vì không có cách nào để máy thu phát tín hiệu nhận biết tới máy phát cho biết thông điệp đã nhận đúng Phát thanh và truyền hình là một trong những thí dụ về đơn công

2 Bán song công(Half-duplex Communication):

Đường truyền bán song công có thể phát và nhận dữ liệu theo cả hai hướng không đồng thời Trong suốt một cuộc truyền, một modem là máy phát và modem còn lại sẽ là máy thu Ví dụ như một thiết bị A là máy phát gởi dữ liệu đến thiết bị B là máy thu, sau đó A và B đổi vai trò cho nhau, B là máy phát gởi tín hiệu báo dữ liệu nhận được có lỗi hay không đến máy thu A Nếu không có lỗi thì A và B sẽ lại đổi vai trò cho nhau và A tiếp tục gởi dữ liệu đến máy thu B Nếu máy thu B báo dữ liệu có lỗi thì máy phát A sẽ gởi lại dữ liệu cũ cho đến khi B báo là dữ liệu không có lỗi